Rendre visible l'invisible : matière, méthodes et esprits

Fourni par Programme Lemelson-MIT

Inventer le futur commence par imaginer l'impossible. La possibilité de conduire dans le brouillard comme s'il s'agissait d'une journée ensoleillée ou de lire un livre sans l'ouvrir peut sembler farfelue. Pouvez-vous imaginer une technologie qui détecte les cellules tumorales en circulation avec un appareil ressemblant à un brassard de tensiomètre ? De telles innovations peuvent sembler s'étendre au-delà de notre domaine de compétence actuel, mais à mon avis Groupe de la culture de la caméra au MIT Media Lab, ces inventions et d'autres sont en bonne voie.

Les photos impossibles de demain ne seront pas enregistrées ; ils seront calculés.

De telles avancées représentent plus qu'une simple science fascinante; ils pourraient avoir des impacts mondiaux et des applications pratiques importantes dans la vie quotidienne. Il n'est pas farfelu de penser que les appareils électroniques grand public intégreront bientôt des technologies permettant aux utilisateurs de voir à travers le brouillard, et même les murs, ainsi que dans les coins. De plus, ces innovations amélioreront considérablement la technologie biomédicale, les opérations de recherche et de sauvetage et l'imagerie dans des situations dangereuses.

Rendre visible l'invisible

L'invention de l'imagerie par rayons X nous a permis de voir à l'intérieur de notre corps. L'invention de l'imagerie infrarouge thermique nous a permis de représenter la chaleur. Ainsi, au cours des derniers siècles, l'astuce clé pour rendre l'invisible visible consistait à enregistrer avec une nouvelle tranche de spectre électromagnétique. Mais les photos impossibles de demain ne seront pas enregistré; ils seront calculé. En conséquence, nous avons maintenant besoin d'une co-conception de nouveaux matériels d'imagerie et d'algorithmes de calcul.

Par exemple, en septembre 2015, à la Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) Wait, What? Future Technology Forum, j'ai présenté une conférence intitulée Photographie computationnelle extrême, qui a présenté nos dernières réalisations. La femto-photographie, un domaine développé par mon groupe de recherche, utilise une caméra à grande vitesse qui nous permet de visualiser le monde à près d'un billion d'images par seconde afin que nous puissions créer des films au ralenti de la lumière en vol et créer des photos impossibles avec lumière diffusée.

Vidéo : Rendre l'invisible visible - Matière, méthodes, esprits : MIT Media Lab, Camera Culture Group

Normalement, les caméras enregistrent ce qui se trouve dans la ligne de mire directe, en utilisant la lumière directe. Cependant, le brouillard, les tissus ou les coins de la pièce créent une lumière diffusée qui obscurcit l'objet d'intérêt. La communauté scientifique étudie la lumière diffusée depuis des décennies, mais mon groupe a décidé d'aller plus loin. Une complication dans la recherche de la lumière diffusée est que le bruit domine le signal. Mais une personne bruit est à une autre personne signal . Alors la question devient : comment pouvons-nous exploiter la lumière diffusée dans le but d'obtenir plus d'informations sur les scènes que nous explorons ?

Commençons par voir ce qui se passe au coin de la rue. Une impulsion laser de lumière, d'une durée inférieure à un billionième de seconde, clignote dans l'air et explose contre un mur, envoyant des photons se disperser dans la pièce. Un petit nombre de ces photons reviendront au point de départ et seront collectés par une femto-caméra à un rythme équivalent à environ un demi-billion d'images par seconde.

En capturant et en analysant la lumière diffusée à haute résolution temporelle, nous pouvons créer une image 3D de l'objet qui est au coin de la rue et hors de vue. Cette idée d'imagerie en lumière diffusée fait également partie du nouveau programme ambitieux de la DARPA, Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields ( RÉVÉLER ), dirigé par Predrag Milojkovic , responsable de programme pour le bureau des sciences de la défense de la DARPA. La lumière diffusée peut nous aider à brosser un tableau de ce qui se trouve au-delà de notre champ de vision. Utilisation de l'imagerie fluorescente à vie ( FLIM ), comme l'ont démontré Guy Satat, candidat au doctorat au MIT et chercheur du Camera Culture Group, et d'autres, nous pouvons également détecter des tumeurs cancéreuses cachées dans les tissus profonds, éliminant potentiellement le besoin de radiographies et de biopsies. L'imagerie ultra-rapide peut mesurer la décroissance de l'intensité ou la durée de vie des fluorophores qui marquent les cellules tumorales. Plus important encore, il peut distinguer la dégradation de la durée de vie fluorescente de la décomposition induite par la diffusion dans les tissus.

Notre équipe explore les moyens d'utiliser la mesure résolue dans le temps pour imager à travers des matériaux épais et hautement diffusants, en vue d'applications majeures dans l'imagerie biomédicale, le diagnostic sous-cutané et l'imagerie dentaire.

Nous améliorons REDX, notre plateforme peer-to-peer pour les jeunes innovateurs. Nous espérons que d'autres entités investiront également, permettant à davantage de jeunes de s'engager dans des parcours de formation à l'invention leur permettant de commencer tôt - comme je l'ai fait à 10 ans.

Si nous ajoutons l'imagerie térahertz au mélange, nous pouvons commencer à voir à travers d'autres matériaux, comme le papier. Notre équipe a trouvé un moyen d'utiliser l'imagerie par spectroscopie térahertz à temps de vol pour lire les pages de un livre non ouvert . La spectroscopie térahertz dans le domaine temporel utilise des impulsions comme le radar et les ultrasons, nous fournissant des informations sur la profondeur et la portée des pages en mesurant l'écho des impulsions térahertz. De plus, la variance de réflectivité entre le papier vierge et le papier encré nous permet de récupérer le contenu de chaque page en cartographiant la distribution des impulsions sur la surface reconstruite de la page.

Un autre prototype intègre la technologie de radiofréquence (RF) pour dévoiler les formes qui existent de l'autre côté d'un mur. Cependant, RF rebondit sur des objets de taille humaine comme si ces objets étaient constitués de miroirs. Nous ne pouvons donc pas créer de formes 3D complètes à partir d'un seul émetteur et récepteur. Mais en combinant plusieurs fréquences RF et émetteurs, nous éclairons la scène derrière le mur. Nous examinons l'énergie RF réfléchie dans le domaine temporel pour calculer les formes 3D blobby.

Aider les jeunes à s'engager dans l'invention créative

Nous rendons l'invisible visible au MIT. Mais nous sommes également passionnés par la mise en lumière de problèmes invisibles et la visibilité des talents dans le monde entier.

En contemplant l'avenir, nous devrions nous demander : jusqu'où pouvons-nous aller ? et dont l'imagination nous y conduira ? Les joies et la satisfaction que mes collègues et moi éprouvons en développant des inventions et de nouvelles capacités telles que celles décrites ci-dessus - et les avantages qui en résultent et qui peuvent profiter à des milliards de personnes dans le besoin - peuvent être vécues par les jeunes dans le cadre de leur vie quotidienne à tout moment, n'importe où. Les inventeurs n'ont pas besoin d'avoir un âge particulier ou d'être affiliés à des universités pour créer des solutions technologiques qui font la différence. Il est maintenant temps de permettre une véritable invention peer-to-peer.

Pour contribuer à cet avenir privilégié, au cours des prochaines années, j'investirai une partie de l'argent du prix Lemelson-MIT pour soutenir le développement des jeunes inventeurs. Nous améliorons REDX (Rethinking Engineering Design Execution), notre plateforme peer-to-peer pour les jeunes innovateurs. Nous espérons que d'autres entités investiront également, permettant à davantage de jeunes de s'engager dans des parcours de formation à l'invention leur permettant de commencer tôt - comme je l'ai fait à 10 ans.

La philosophie REDX est centrée sur un modèle spot/sonde/croissance/lancement. La première étape est repérage le bon problème sur lequel travailler avec les experts et les parties prenantes. Il s'agit d'un processus en plusieurs étapes qui analyse les ressources disponibles et les problèmes urgents. Les phases ultérieures impliquent sondage la solution, croissance l'adoption et lancement Le Prototype.

La philosophie REDX a influencé six hubs de co-innovation, notamment : REDX Bombay , LVP MITRA (Hyderabad, Inde), Medhacker (Sao Paulo, Brésil), REDX Kumbathon et DISQ Centre (tous deux à Nashik, en Inde) et le Groupe d'Intérêt Spécial Mondes Emergents au Media Lab du MIT. J'ouvre le playbook REDX à tous afin que chacun puisse postuler pour démarrer un laboratoire ou un club de co-innovation REDX. je considère cela comme un modèle de capital-risque inversé pour traduire les inventions en solutions à impact réel.

Avance rapide de 10 ans dans le futur. (Ré)imaginez un monde dans lequel de jeunes co-inventeurs du monde entier sont activement engagés dans l'utilisation de la collaboration en ligne/hors ligne, des données de recherche, des technologies citoyennes innovantes et des façons de penser comme des inventeurs pour relever les défis urgents et dépasser les solutions existantes. C'est un avenir où de grands esprits sont engagés dans la détection des besoins, la recherche de solutions, le développement de prototypes et leur déploiement à grande échelle, pour finalement améliorer des vies.

Ramesh Raskar est le lauréat 2016 du Prix ​​Lemelson-MIT de 500 000 $ , qui honore les inventeurs en milieu de carrière qui se consacrent à l'amélioration du monde grâce à une invention technologique exceptionnelle. Il est directeur de la Culture de la caméra groupe de recherche au MIT Media Lab et professeur associé de médias, arts et sciences au MIT. À pionnier des technologies de la vision et de l'innovation sociale, il détient plus de 75 brevets et a reçu de nombreuses récompenses pour ses travaux. Il prévoit d'utiliser une partie de l'argent du prix Lemelson-MIT pour améliorer la REDX plate-forme peer-to-peer pour les jeunes inventeurs. Raskar a obtenu un baccalauréat en électronique et télécommunications du Government College of Engineering en Inde et un doctorat en informatique de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.

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